Entwicklung eines Step-Scan FTIR-Experiments zur Untersuchung der lichtinduzierten Wasserspaltung der oxygenen Photosynthese

Abstract

Das Photosystem II (PSII) ist ein zentraler Bestandteil der Photosynthese, welche wiederum direkt oder indirekt Grundlage für die meisten Lebensformen auf der Erde ist. Die Infrarotspektroskopie kann detaillierte Informationen sowohl über die Struktur als auch über die Kinetiken der photoaktivierten Reaktionen am PSII liefern. Von besonderem Interesse sind daher zeitaufgelöste FTIR (Fourier-Transformations- Infrarot-) Messungen. Der sogenannten Step-Scan Modus liefert dabei die beste Zeitauflösung, da diese hier lediglich durch die Detektorelektronik begrenzt ist. Allerdings benötigt man eine enorm hohe Anzahl von Proben für ein komplettes, zeitaufgel östes Infrarotspektrum mit akzeptablem Signal-Rausch-Verhältnis. Da das PSII aber nicht mehrfach für Messungen genutzt werden kann, muss die Herstellung mehrerer 10000 gleichartiger Proben gewährleistet sein. Bisher wurde in der Literatur nicht von solchen Messungen berichtet. In der hier vorliegenden Arbeit wurde ein Aufbau für Step-Scan FTIR Messungen konstruiert und erste zeitaufgelöste Messungen des katalytischen Zyklus durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse, die erzielt wurden, sind folgende: (1)Etablieren einer zuverlässigen Probenpräparationstechnik und Messmethodik. (2)Konstruktion eines Probenwechslers, der das Vermessen von etwa 4000 Proben pro Tag ermöglicht. (3) Konstruktion eines automatischen Probenerstellers. Dieser ermöglicht die schnelle Herstellung sehr homogener Proben mit klar definierter Absorption. (4)Erstellen einer Steuerungssoftware für die Automatisierung der Messungen. (5)Messungen stationärer Zustände des katalytischen Zyklus mit sehr hohem Signal-Rausch-Verhältnis. Dabei wurde ein sehr kleiner Missparameter erreicht und Literaturspektren sehr gut reproduziert. (6)Rapid-Scan Messungen an Mangan freien Proben, die ebenfalls Literaturdaten sehr gut reproduzieren und sichere Bandenzuordnungen ermöglichen. (7)Erste Step-Scan Messungen am PSII mit 61596 Einzelmessungen mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis . (8)Entwicklung einer Auswertungssoftware, die durch umfangreiche Korrektur- und Auswahlverfahren das Signal-Rausch-Verhältnis noch weiter verbessert. (8)Globale Simulation der spektralen Zeitverläufe. Diese ermöglichte die Zuordnung vieler Banden zu den stationären Messungen an manganhaltigen und -freien Proben. (9)Die Änderung der Koordination des Hydrogencarbonats - einem Liganden des Nicht-Häm-Eisens der Akzeptorseite - von einer zweizähnigen zu einer einzähnigen Bindung konnte bestä- tigt werden. (10)Tyrosinbanden konnten zum ersten mal an intakten Photosystemen detektiert werden. Diese Arbeit belegt somit zum einen die Funktionstüchtigkeit und Anwendungsmöglichkeiten des Aufbaus; zum anderen sind die hier gezeigten Step- Scan Messungen die ersten, die für das wasseroxidierende PSII berichtet wurden.

The Photosystem II is a central component of photosynthesis, which in turn constitutes directly or indirectly the basis for most forms of life. Infraredspectroscopy can provide detailed information both about structure and kinetics of photoactivated reactions at the PSII. Of particular interest are, therefore, timeresolved FTIR (Fourier-Transform-Infrared) measurements. The so-called Step-Scan mode provides the best time resolution, which is in this case only limited by the electronics of the detector. However, this mode requires an enormously high amount of samples for a complete, time resolved infrared spetrum with an acceptable signal-to-noise ratio. Since the PSII cannot be used repetitively, the production of several 10000 homogeneous samples is a precondition for such measurements. Up to now, such Step-Scan measurements on the PSII have not been reported in literature. In the present work a setup for a Step-Scan FTIR spectrometer was constructed and first time- resolved measurements of the catalytic cycle were implemented. The most important results which have been achieved, are the following: (1)Establishment of a reliable sample preparation procedure and measurement technique. (2)Construction of a sample changer that allows measuring about 4000 samples per day. (3) Construction of an automatic sample creator. This allows for a fast production of very uniform samples with clearly defined absorption. (4) Development of a control software for the automatisation of measurements. (5)Steady state measurements of the catalytic cycle with high signal-to-noise ratio. A good miss-parameter was obtained and data from literature was reproduced well. (6) Rapid-Scan measurements on manganese- depleted samples, which also agree well with literature and allow for a reliable assignment of bands. (7) First Step-Scan measurements on the PSII with 61596 fresh samples and a high signal-to-noise ratio. (8) Development of an evaluation software which by means of extensive corrections and selection increases the signal-to-noise ratio even more. (9) Coordination changes of bicarbonate - a ligand of the non-hem-iron from the acceptor site - from a bidentate to a monodentate coordination could be confirmed. (10) Tyrosine bands could be detected for the first time at intact PSII samples. The present work documents the operational reliability and application spectrum of the setup. Furtheremore, the data shown here represents the first Step-Scan data on the PSII which has been reported so far.